Effektiv følelse af temperatur i IoT-applikationer ved hjælp af solid state-teknologi

Væksten i IoT-applikationer (Internet of Things) har øget behovet for temperaturfølere i forbrugersituationer, boliger, kommercielle og industrielle situationer. Selvom temperatur meget vel kan være den mest målte fysiske variabel, måler den ofte udfordringer med hensyn til sensortype såvel som vedligeholdelse af ydeevne over tid og miljøændringer.

De klassiske temperaturfølerteknologier inkluderer termistorer, termoelementer og modstandstemperaturdetektorer (RTD'er). Denne artikel beskriver de udfordringer, som designere står over for, når det kommer til temperaturmåling, og sammenlign derefter disse tre sensingmuligheder. Derefter beskrives en fjerde mulighed: solid state temperatursensorer.

Den fortsætter med at introducere egnede solid state temperaturløsninger og viser, hvordan de kan bruges til at imødekomme IoT temperaturmålingskrav.

Den løbende udfordring med måling af temperatur

Selvom temperaturen i princippet er let at måle, kan det være vanskeligt at gøre det effektivt i praksis på grund af sensorens nøjagtighed, placering, strømforbrug og antallet af placeringer, der skal måles.

• Nøjagtighed: Nogle IoT-applikationer har brug for ydeevne til kun ± 2 ° C, mens ± 1 ° C er mest almindelige, selvom nogle præcisionsapplikationer muligvis har brug for højere ydelse til ± 0,5 ° C eller bedre.
• Placering: Den egentlige placering af sensoren er ofte et dilemma, herunder hvor langt det kan være fra det interessepunkt, men alligevel ikke forringer læsningsintegriteten, samtidig med at der tages hensyn til ledningslængder.
• Strømforbrug: Mange IoT-applikationer fungerer fra en begrænset strømkilde, såsom et batteri med lang levetid eller energihøstning.
• Antal registrerede placeringer: Nogle situationer skal kun overvåge et eller to punkter, mens andre skal måle mange flere. Dette skaber kommunikations- og omkostningsproblemer, mens det øger placeringskompleksiteten og bekymringerne om strømforbrug.

Traditionelle sensorer passer muligvis ikke godt til

Termoelementer, RTD'er og termistorer er i vid udstrækning og er velegnet til kablede, ikke-IoT-applikationer såvel som dem, hvor der er strøm tilgængelig. Imidlertid kan deres primære egenskaber være uforenelige med forskellige og spredte IoT-installationer. Dette er tilfældet på trods af de mange højfunktionelle interface-IC'er, der er tilgængelige for at støtte dem og designernes dybdegående erfaring i deres anvendelse.

Hver af disse tre tilgange har deres fordele og ulemper:

• Termoelementer kan give fremragende nøjagtighed over en meget bred vifte af temperaturer til tusindvis af grader, men kræver en ekstra omgivelsestemperaturføler til kompensation til kold krydsning (CJC). De kræver også sofistikerede interface kredsløb.
• Detmodstandstemperaturdetektor (RTD) er også ret nøjagtig og har en ret lineær temperatur versus modstandsoverføringsfunktion. Det kræver dog snesevis af milliampere af drevstrøm og sofistikeret drev- og aflæsningskredsløb. Det er også relativt dyrt på grund af dets anvendelse af platin.
• Termistorer har en høj modstandsændring pr. grad af temperaturændring, hvilket giver forbedret opløsning. De er nøjagtige og stabile, og deres lille størrelse resulterer i en lille termisk masse, hvilket resulterer i en hurtig responstid. Men i modsætning til termoelementer og RTD'er er der ingen industristandarder for deres reaktionskurver, hvilket er både godt og dårligt. Der er mange termistortyper og -intervaller at vælge imellem, men udskiftelighed og udskiftning kan være problematisk.

tabel 1 opsummerer nøglekarakteristika og attributter for termoelementer, RTD'er og termistorer, mensTabel 2 sammenligner deres relative styrker og svaghed. Som altid er der ingen eneste "bedste" temperatursensor, da hver type repræsenterer en kompromis med egenskaber versus applikationsmål og prioriteter.

Tabel 1: De tre meget anvendte, traditionelle temperatursensorer - termoelement, RTD og termistor - har meget forskellige primære egenskaber. (Billedkilde: Omega Engineering Inc.)

Tabel 2: En sammenligning af grundlæggende attributter viser, at termoelementer, RTD'er og termistorer hver har en rolle at spille afhængigt af applikationskravene. (Billedkilde: Omega Engineering Inc.)

Den iboende ikke-linearitet af termoelementer og termistorer betyder, at de kræver linearisering (figur 1). Dette kan opnås via et helt analogt kredsløb (mindre almindeligt i de fleste nye designs), et opslagstabel i hukommelsen eller en algoritme, der giver en korrektionsberegning. Imidlertid tilføjer dette udfordringerne ved at bruge dem i grundlæggende IoT- og multikanalapplikationer.

Figur 1: Et system, der bruger et termoelement, en RTD eller en termistor, skal kompensere for deres iboende ikke-lineariteter, som adskiller sig i både den generelle form for hver type og specifikke modeller. (Billedkilde: Omega Engineering Inc.)

Mens hver af fordelene ved termistorer, RTD'er og termoelementer gør dem ideelle til specifikke applikationer, har designere af IoT-applikationer brug for en mere generisk løsning. Dette indebærer en, der hurtigt kan implementeres til en lav pris og kan opretholde nøjagtighed, ydeevne og svartid i typiske halvlederapplikationsmiljøer. Da antallet af sensorer, der skal tilsluttes, øges, er det også nødvendigt at kommunikere og konfigurere.

Dette er nogle af grundene til, at en solid state-tilgang til sensing viser sig at være attraktiv for IoT-enhedsdesignere.

Solid state-sensorer passer til IoT-skabelonen

Konceptet med solid state-sensorer er ikke nyt, men det er blevet udviklet og forbedret dramatisk gennem årene. Sensorerne begynder med den velkendte ideelle diodeligning, der definerer forholdet mellem diodestrøm, spænding og temperatur pr. Ligning 1:

Ligning 1

Dettermisk spænding V_t af en diode er spændingen, der er udviklet over PN-krydset på grund af temperaturens effekt. Det handler om 26 millivolt (mV) ved stuetemperatur. Det er dette forhold mellem termisk spænding og temperatur, der gør det muligt at bruge en diode som kernen i en temperatursensor.

Imidlertid gør den iboende og uundgåelige ikke-linearitet af dette forhold en grundlæggende diode vanskelig at bruge og fungere som en kalibreret sensor. Tilføjelsen af on-chip lineariseringskredsløb giver solid state-sensorer mulighed for at fungere som et effektivt valg til IoT-applikationer. Ved at tilføje komponenter rundt om dioden kan disse vanskeligheder overvindes til et punkt, hvor den diode-baserede sensor er en attraktiv mulighed.

Den første diode-baserede temperatur IC på massemarkedet varAD590 fra analoge enheder (figur 2). Dette blev først introduceret for flere årtier siden, men har vist sig at være så nyttigt, at det stadig er tilgængeligt i dag i en bred vifte af pakker, inklusive to-leder gennemgående hul flatpack, dual inline-pakke (DIP) og et lille overflademonteret hus.

Figur 2: AD590 fra analoge enheder er en to-terminal strømforsyningstemperaturføler, der producerer en lineær 1 μA / K-strøm proportional med absolut temperatur. Her er det vist i en flatpack-pakke med ledninger. (Billedkilde: Analoge enheder)

Sensoren fungerer som en simpel temperaturafhængig strømkilde, der producerer en analog udgangsstrøm på 1 μA / K proportional med absolut temperatur (PTAT). Dette output lasertrimmes for at kalibrere enheden til at levere 298,2 μA ved 298,2 K (25 ° C). Strømudgangen er relativt immun over for støj og kan bruges i lange ledninger, svarende til en 4 - 20 mA strømsløjfe.

AD590 fungerer fra en +4 til +30 volt kilde, som påføres via de aktuelle udgangskabler. Versioner er tilgængelige for at imødekomme nøjagtighedsspecifikationer fra ± 2 ° C ned til ± 0,5 ° C, over -55 ° C til 150 ° C driftsområde. Mange IoT-applikationer kræver kun en begrænset og måske mindre nøjagtig aflæsning, så en billigere version ville være passende.

I årtierne siden AD590-serien blev introduceret, er der introduceret mange variationer baseret på det originale koncept. For eksempel er den grundlæggende strømoutput i mange designs ubelejlig, fordi den kræver en strøm-til-spænding eller strøm-til-digital konvertering for at være nyttig.

Disse faktorer førte til introduktionen af sådanne sensorer såsom analoge enhederAD22100 . Dette giver en lineær spændingsoutput, der er proportional med temperaturen × V +, med en temperaturkoefficient på 22,5 mV / ° C (figur 3). Ingen trimning er påkrævet i området -55 ° C til 150 ° C. Nøjagtighed er mindst ± 2% af fuld skala, mens linearitet er bedre end ± 1% af fuld skala.

Figur 3: Dette funktionelle blokdiagram over AD22100 viser, hvordan den temperaturafhængige strømoutput konverteres til en nøjagtigt skaleret spænding via sin interne op-forstærker. (Billedkilde: Analoge enheder)

På grund af dens ratiometriske karakter er det let at grænsefladen AD22100 til en analog-til-digital-konverter (ADC) ved hjælp af AD22100's 5 volt strømforsyning som reference for ADC (figur 4). Dette eliminerer behovet for en præcisionsspændingsreference. Med en enkelt +5,0 V forsyning varierer output fra 0,25 V ved −50 ° C til +4,75 V ved + 150 ° C.

Figur 4: Spændingsoutputtet fra Analog Devices AD22100 solid state sensor er velegnet til at interface direkte til en ADC. (Billedkilde: Analoge enheder)

Andre diode-baserede solid state-sensorer er tilgængelige, som inkluderer A / D-konverteren, normalt med en I² C- eller SMBus-interface til systemprocessoren. Da temperaturen er en relativt langsomt skiftende variabel, kan konverteren være langsom med høj opløsning (18 til 22 bit) og fungere ved meget lav effekt. Disse kan være effektive løsninger, når kun en eller få kanaler er nødvendige.

I applikationer, hvor der er behov for mange kanaler, såsom overvågning af forskellige mulige "hot spots" i et system, kan det være fornuftigt at anvende billige sensorer og dele konverteringskredsløbet. Den billigste sensor til rådighed er den grundlæggende diode (i praksis diodeforbindelsen til en lavtydende transistor), men dens ikke-lineariteter gør det vanskeligt at bruge.

For at overvinde disse bekymringer er IC'er som f.eksMicrochip-teknologi 'sEMC181x serier understøtter flere transistorer og tilføjer nødvendige funktioner til at gøre transistorens diodeoutput lineær og nøjagtig, samtidig med at den digitaliseres. Når der tilføjes eksterne transistorer, fungerer enheder i denne familie (EMC1812 / 13/14/15/33) som 2-leder multikanals temperaturfølere med høj nøjagtighed med en SMBus / I² C-interface (figur 5).

Figur 5: Microchip Technology EMC181x-familien af interface IC'er har en intern diodesensor (transistor) og mellem en og fire eksterne diodesensorer. Dette forenkler i høj grad opgaven med måling af flere kanaler ved at minimere ledningsføring og interface-komponenter. (Billedkilde: Microchip Technology Inc.)

Hver IC i serien inkluderer en intern temperatursensor (± 1 ° C maksimal nøjagtighed, -40 ° C til + 125 ° C) samt tilslutninger til eksterne sensorkanaler. DetEMC1812 har en ekstern diodekanal, op tilEMC1815 som har fire eksterne kanaler.

For at sikre nøjagtighed og undgå behovet for kalibrering inkluderer disse IC'er flere avancerede funktioner. For eksempel eliminerer modstandsfejlkorrektion (REC) automatisk temperaturfejlen forårsaget af blyseries modstand, hvilket giver større fleksibilitet i routing af sensordioderne. En anden funktion, kaldet beta-kompensation, eliminerer temperaturfejl forårsaget af lave, variable beta-transistorer, der er bredt tilgængelige. Resultatet er ± 1 ° C målenøjagtighed og 0,125 ° C opløsning for de eksterne diodeaflæsninger.

Integration giver mere processerings- og konfigurationsfleksibilitet

EMC181x-serien går ud over bare måling og rapportering til en systemprocessor. De inkluderer funktioner, der aflaster en processor fra behovet for at fortsætte med at kontrollere temperaturen, såsom brugerindstillelige per-kanal tærskelalarmer og hastighedsændringsmålingalarmer, men den interne kompleksitet af disse IC'er er gennemsigtig for brugeren (figur 6 ). Som et resultat reduceres processorbelastningen med at overvåge og bedømme situationen på tværs af de mange læsepunkter kraftigt, mens brugerfleksibiliteten bevares.

Figur 6: Inden for EMC181x-familien af IC'er er der registre til lagring af brugerindstillede værdier pr. Kanal for tærskler og trendalarmer. (Billedkilde: Microchip Technology Inc.)

Solid state sensor IC'er kan også designes til at give højere nøjagtighed end den mere almindelige ± 0,5 til ± 1 ° C-klassificering for de fleste sådanne enheder. Et godt eksempel på dette erTMP117 fraTexas Instruments (Figur 7).

Figur 7: Med sin garanterede nøjagtighed på ± 0,1 ° C fra -20 ° C til 50 ° C er TMP117 fra Texas Instruments certificeret til at opfylde kritiske medicinske standarder; den er også velegnet til de mange IoT-applikationer med begrænset rækkevidde. (Billedkilde: Texas Instruments)

Dette er en høj præcision digital temperatursensor målrettet mod (men ikke begrænset til) elektroniske patienttermometre. Til denne applikation er den designet og kvalificeret til ASTM E1112 og ISO 80601 krav. Andre applikationer inkluderer miljøovervågning, højtydende termostater, wearables, aktivsporing, koldkædeovervågning og gas / varmemålere.

TMP117 giver et 16-bit temperaturresultat med en opløsning på 0,0078 ° C (18-bit) og en nøjagtighed på op til ± 0,1 ° C over temperaturområdet fra -20 ° C til 50 ° C uden behov for kalibrering. Dette er et relativt begrænset interval, men det er tilstrækkeligt til mange applikationer. Dens nøjagtighed er stadig høj med en maksimal fejl på ± 0,3 ° C fra –55 ° C til + 150 ° C.

TMP117 digitaliserer temperaturaflæsningen med en hastighed på 1 Hertz (Hz) og giver resultaterne via I² C- og SMBus ™ -kompatible grænseflader. Op til fire af disse IC'er kan understøttes på en enkelt bus. For at reducere processorbyrden inkluderer den

en programmerbar tærskelalarmfunktion. Da mange af dens målapplikationer er batteridrevne med begrænset energikapacitet, er det vigtigt at bemærke, at TMP117 kører fra en 1,8 til 5,5 volt forsyning og typisk trækker 3,5 mikroampere (µA) med en 150 nanoampere (nA) nedlukningsstrøm. Det er også lille, der er anbragt i en 6-leder, 2,00 mm x 2,00 mm WSON-pakke.

Sikrer sensor- og systemydelse

At vælge en sensor med den rigtige specifikation og derefter bruge den korrekt er to relaterede, men noget uafhængige problemer. Når du vælger en temperatursensor, er det grundlæggende spørgsmål altid over, hvilket område det skal give gyldige aflæsninger.

Når dette er bestemt, er der spørgsmål relateret til krævet absolut nøjagtighed, præcision og opløsning og linearitet over hele området. Nogle applikationer er mere optaget af at "se" en lille ændring i temperatur snarere end at kende dens nøjagtige værdi; for andre er absolut nøjagtighed ved læsning mere kritisk. Designeren skal nøje overveje, hvilket niveau af ydeevne der er behov for i hver parameter. Situationen er mere kompliceret, når der er behov for højere nøjagtighed i en smal zone af interesse, mens der er behov for mindre længere væk fra den zone.

Dataark til temperatursensorer kommer med et par brede påstande som “nøjagtighed ± 1 ° C fra –55 ° C til + 150 ° C”, men indeholder også mange detaljerede præstationstabeller og grafer. Disse udvider erklæringen på højt niveau for brugere til at give sammenhæng og angiver f.eks. Hvilke specifikationer der er typiske tal, og hvilke der er minimums- eller maksimumtal. De viser også sensorens linearitetskurve, da dens ydeevne vil variere i de forskellige zoner i dens fulde rækkevidde. Desuden er læsningens præcision normalt konstant i hele området, mens den absolutte nøjagtighed ikke er; dette er normalt ikke et problem, hvor systemets mål primært er at rapportere små ændringer omkring registrerede værdier.

Placering af sensoren er også et problem. Det skal selvfølgelig være tæt på det interessepunkt eller område, men spørgsmålet er nøjagtigt hvor og hvor tæt. I nogle tilfælde skal sensoren være fysisk forbundet med de genstande, der registreres (såsom rammen på en motor, der kan blive overophedet); til sammenligning skal det for et kabinet være "et eller andet sted" i kassen. Selv at "et eller andet sted" kan være udfordrende at bestemme, da det at være direkte i luftstrømmen kan give en aflæsning, der adskiller sig markant fra at være i nærheden af en varm komponent.

Af denne grund bruger mange avancerede designs flere sensorer til at skabe et termisk "kort" i realtid af systemet, når det fungerer, og måler kritiske lokaliserede hotspots såvel som den samlede systemtemperatur. Dette scenarie gælder ikke kun for små kabinetter eller chassis. IoT-applikationer, der har brug for et eller flere temperaturfølte punkter, inkluderer HVAC, vandvarmer, energistyring, sikkerhed, apparatovervågning og andre overophedningsscenarier. Forskelle mellem disse aflæsninger og især ændringer i disse forskelle kan indikere problemer.

Der er to andre gunstige punkter ved disse solid state-sensorer til IoT-applikationer. For det første betyder deres lille størrelse og lave masse, at de har minimal termisk indvirkning på det punkt eller objekt, der måles, og ændrer ikke mærkbart temperaturstignings- / faldhastigheden. For det andet betyder deres lave effekttab, at deres selvopvarmning også er ubetydelig, så læsningen er ikke ødelagt af sensorens egne termiske emissioner.

Konklusion

Mens traditionelle sensorer har deres fordele i specifikke applikationer, såsom ekstremt høje temperaturer i tilfælde af termoelementer, er sådanne ekstremer sjældent et problem for de fleste IoT-applikationer.

Dette åbner døren til solid state temperaturfølere på grund af deres ret høje nøjagtighed og opløsning, lave strømkrav, lille størrelse og stigende niveauer af funktionalitet. Både enkelt- og flerkanals IoT-applikationer kan let interface med disse solid state-enheder, hvilket giver nøjagtige og præcise aflæsninger.